62717 (695146), страница 2
Текст из файла (страница 2)
За товстоплівковою технологією на поверхню керамічної платівки через відповідні трафарети наноситься паста, яка потім впалюється у кераміку, утворюючи плівки товщиною 15...70 мкм. В залежності від складу пасти таким способом виготовляють або металеві з'єднувальні смужки–провідники, або резистори. Ємності виготовляють, послідовно наносячи шари металу, діелектрика і знову металу. Індуктивності можна зробити у вигляді провідної смужки, якій надана форма плоскої спіралі.
Звичайно, при тих малих розмірах, які потрібні в мікросхемах, такі індуктивності та ємності можуть мати лише вельми малої величини.
За тонкоплівковою технологією потрібний матеріал на поверхню керамічної або скляної пластинки наносять через трафарет (маску) напилюванням у високому вакуумі в формі плівок товщиною менше 1 мкм. З’єднувальні провідники виготовляють з алюмінію, міді, золота; резистивні шари створюються плівками хрому, ніхрому, танталу. Конденсатори виготовляють почерговим напиленням металевих та діелектричних плівок. За цією технологією окремі елементи можуть мати розміри в одиниці мікрометра, що значно менше розмірів елементів, одержуваних за товстоплівковою технологією.
Основний недолік плівкової технології полягає у тому, що в такий спосіб поки що не вдається створювати активні елементи більш-менш задовільної якості. Тому активні елементи для плівкових мікросхем звичайно виготовляють у вигляді навісних безкорпусних транзисторів, діодів чи напівпровідникових мікросхем. Такі мікросхеми з навісними активними елементами називають гібридними інтегральними мікросхемами (ГІС).
Оскільки тонкоплівкова технологія досить зручна для виготовлення пасивних елементів мікросхем, а планарна (напівпровідникова) дозволяє успішно створювати активні елементи, їх іноді об'єднують. Інтегральні мікросхеми, виготовлені в такий спосіб, .називають суміщеними5.
Вище вже йшлося про те, що планарна технологія вимагає дорогого спеціального обладнання і висококваліфікованого персоналу. Тому процес проектування та технологічної підготовки до виготовлення напівпровідникових ІМС за планарною технологією стає рентабельним лише при умові випуску дуже великих серій виробів (не менше кількох мільйонів).
На відміну від цього, плівкова та гібридна технології більш прості та мобільні, виробництво гібридних ІМС доступне більш широкому колу підприємств. Плівкова технологія лишається рентабельною і при виготовленні невеликих та середніх серій; нею користуються звичайно там, де потрібно швидко та оперативно змінювати асортимент виготовлюваних ІМС
4. Деякі особливості технології виготовлення інтегральних мікросхем
У описаній вище (п.7.1) планарній технології колектор біполярного транзистора утворюється з тієї частини напівпровідникової підкладки, якої не торкнувся технологічний процес. Однак, в інтегральній мікросхемі подібна ситуація неприпустима, оскільки колектори всіх транзисторів мікросхеми виявилися б сполученими між собою через спільну підкладку. Тому в ІМС необхідно передбачити ізоляцію колектора кожного транзистора від підкладки, на якій він (транзистор) вирощений. Найпростіший шлях до цього є застосування потрійної дифузії при виготовленні npn-транзистора на p-провідній кремнієвій підкладці. Першим вирощується n-шар, який служитиме колектором (рис.4). Потім послідовно вирощують p-провідну базову область та n+ -провідну область емітера. При експлуатації до підкладки треба прикласти від'ємний відносно до колектора потенціал, щоб на межі підкладки і колектора утворився непровідний запірний шар, який забезпечує їх електричну ізоляцію.
Однак, транзистори, виготовлені методом потрійної дифузії, мають певні недоліки. В структурі, зображеній на рис.4, колекторний n-шар, який формується на етапі першої дифузії, виявляється неоднорідним: концентрація домішок зростає від донної області до поверхні. Тому на границі з базовим шаром концентрація домішку буде дуже великою і пробивна напруга колекторного переходу буде порівняно низькою. До того ж, процес потрійної дифузії складний і довготривалий. Тому зараз застосовують звичайно дещо інший шлях виготовлення транзистора. Спочатку на поверхню p-провідної підкладки з газової фази нарощується так званий епітаксіальний монокристалічний шар n-провідного кремнію товщиною 10-15 мкм, кристалічна структура якого є продовженням кристалічної структури підкладки (рис.5а). Тим самим створюється р–n перехід, котрий надалі ізолюватиме транзистор від підкладки. Далі описаним вище методом дифузії, по периметру майбутнього транзистора у епітаксіальному шарі створюється р -область, яка повинна "прорости" через цей шар і зімкнутися з р-провідною підкладкою (рис.5б). В результаті утворюється "острівець" з n-провідністю, оточений з усіх боків p-провідним кремнієм. В цьому острівку, який називають кишенею, відомим вже способом вирощують біполярний й npn-транзистор (рис.5в). Далі потрібно потурбуватися лише про те, щоб потенціал підкладки завжди був негативнішим відносно потенціалу колектора будь-якого з транзисторів інтегральної мікросхеми. Таким же шляхом – виміщенням у кишені – ізолюються і пасивні елементи ІМС.
У інтегральних схемах на МОН-транзисторах проблем з ізоляцією не виникає, оскільки кожний МОН-транзистор – його виток, стік і канал, яким притаманний інший закон провідності ніж підкладці, – вже "відгороджений" від неї запертим p-n-переходом. Це одна з істотних переваг інтегральних мікросхем на МОН-транзисторах.
Немає проблем з ізоляцією елементів і в плівкових ІМС, оскільки там всі елементи вирощуються на підкладках з ізоляційного матеріалу – скла або кераміки.
Та ж ідея - створювати елементи ІМС на діелектричних підкладках – виявилась дуже плідною і в планарній технології, коли навчились вирощувати епітаксіальні шари кремнію на кристалічних діелектричних матеріалах, наприклад, на сапфірі. Кристалічна структура сапфіра, котрий сам є добрим діелектриком, дуже подібна до структури кремнію і вирощування на ній епітаксіального шару виявляється цілком можливим (рис.6а).
Потім в утвореному шарі кремнію витравлять канавки, які досягають
самої поверхні сапфіра (рис.6б). Утворюються ізольовані острівці – кишені, в яких вирощують npn-транзистори (рис.6в).
Зараз робляться спроби вирощувати епітаксіальні плівки кремнію на алмазі, кристалічна структура якого також близька до структури кремнію. Окрім високих діелектричних властивостей, алмазу притаманна унікальна теплопровідність – вп'ятеро більша за теплопровідність міді. Це дуже важлива характеристика, оскільки відведення тепла є однією з причин, що обмежують мінімальні розміри елементів ІМС. Застосування алмазних підкладок сприятиме розв'язанню проблеми подальшого зменшення розмірів як окремих елементів ІМС, так і самих інтегральних схем у цілому.
Іншою істотною особливістю технології виготовлення мікросхем є те, що всі елементи ІМС створюються в єдиному технологічному процесі. Скажімо, всі резистори плівкової ІМС виготовляються одночасно, і, отже, мають однакову товщину та однаковий питомий опір матеріалу. Відрізнятися вони можуть лише довжиною і шириною шару за рахунок чого вони й мають різний опір. Або ж в ІМС, виготовлений за планарною технологією, робочий шар резистора вирощується водночас з базовим шаром транзистора і тому має ті ж самі електрофізичні параметри. Інакше кажучи, при виготовленні пасивних елементів ІМС вільність вибору значно менше ніж при конструюванні таких схем з дискретних деталей. В ІМС параметри пасивних елементів можна варіювати головним чином лише їх конфігурацією, тобто їх довжиною та шириною, а не товщиною шарів і електрофізичними властивостями матеріалу. В результаті номінали елементів ІМС виявляються в значній степені пов'язаними між собою та обмеженими за своїми значеннями. Так, наприклад, розглядаючи принципіальну схему будь-якої ІМС, можна переконатися в тому, що опір резисторів в ній лежить звичайно в межах 103-105 Ом. В схемах ІМС відсутні мегаомні опори. Немає також конденсаторів ємністю вище кількох тисяч пікофарад. Відсутні котушки індуктивності і, зрозуміло, трансформатори.
Ці обмеження визначають специфіку схемотехніки ІМС: при їх конструюванні намагаються знайти такі рішення, щоб елементи схеми не виходили за межі номіналів, прийнятних з точки зору технології. Коли ж застосування елемента з особливим "не технологічним" номіналом все ж виявляється неминучим, то шукають таке рішення, яке дозволило б "змоделювати" такий елемент схемотехнічними методами, або ж використовують зовнішні навісні компоненти та деталі.
5.Наслідки появи мікроелектроніки
3 появою інтегральних мікросхем була розв'язана та кризова ситуація в радіоелектроніці, яка стала назрівати наприкінці 50-х - початку 60-х років. Справа в тому, що протягом всього попереднього періоду розвиток радіоелектроніки відбувався екстенсивно: шляхом нарощуванням складності приладів та пристроїв, прямим збільшенням кількості деталей в їх схемах, приблизно на порядок за кожне десятиріччя. В результаті на вказаний строк кількість деталей у найбільш складних на той час приладах (наприклад, у електронно-обчислювальних машинах) сягала вже десятків і навіть сотень тисяч. Так, наприклад, вельми досконала на той час ЕОМ другого покоління типу БЭСМ-6 вимагала для свого розміщення площу в сотню квадратних метрів, вживала кілька десятків кВт електроенергії та коштувала десятки мільйонів крб.
Проте, найсерйознішою проблемою виявилася проблема забезпечення надійності – тобто безвідмовної роботи протягом тривалого часу, що завжди є основною вимогою до будь-якого пристрою чи системи. Кожний елемент або деталь взяті окремо можуть мати високий ступінь надійності. Однак, у їх сукупності надійність системи знижується пропорційно кількості елементів. Нехай, наприклад, окрема деталь має середній строк безвідмовної роботи в 100 років, тобто середня частота відмов дорівнює 10-6 год-1 (рік містить приблизно 104 годин).
Але оскільки частота відмов окремих деталей підсумовується, то період безвідмовної роботи пристрою, який складається з кількох сотень тисяч подібних деталей, становитиме лише кілька годин, тобто даний пристрій є практично непрацездатним. Боротьба за підвищення якості та надійності радіодеталей дала певні результати, проте стало очевидним, що колишній екстенсивний шлях розвитку радіоелектроніки є безперспективним.
Вирішення всіх цих проблем стало можливим завдяки мікроелектроніці, яка на той час тільки-но робила перші кроки. Інтегральні мікросхеми виявились здатними виконувати ті ж функції, що й електронні пристрої, зібрані з дискретних деталей, але при цьому вони були на кілька порядків менше за вагою, габаритами, енергоспоживанням та вартістю. Що ж до надійності, то як показала практика, мікросхеми, виготовлені за добре відпрацьованою технологією, мають приблизно таку ж надійність, як і окрема дискретна радіодеталь. Висока надійність ІМС забезпечується високою чистотою вихідних матеріалів, їх фізико-хімічною сумісністю, груповим характером та суворим контролем параметрів технологічного процесу, а також мінімальним застосуванням ручної праці.
Як показник надійності звичайно приймають гарантований час безвідмовної роботи. У більшості випадків цей час для окремої ІМС становить не менше 104 годин. Вважається, що імовірність безвідмовної роботи за цей строк має становити 0,999. Отже, частота відмов ІМС середнього ступеня інтеграції (СМС) є величиною порядку
10-7...10-8 год-1. На основі СМС були створені ЕОМ третього покоління, а на основі ВІС та НВІС – четвертого покоління. Сучасна персональна ЕОМ, яку можна віднести до четвертого або п’ятого покоління, за своїми можливостями лише не набагато поступається згадуваній вище БЭСМ-6, хоч її розміри, енергоспоживання та вартість набагато менше відповідних параметрів БЭСМ-6. Що ж до надійності подібних персональних ЕОМ, то вона приблизно така ж як у інших побутових радіоелектронних приладів (телевізорів, радіопрогравачів тощо), що відповідає частоті відмов порядку одного разу за кілька років.
Створення інтегральних мікросхем може бути яскравим прикладом того, як поодинокий, і здавалося б, суто спеціальний винахід або вдосконалення здатні привести до радикальних змін у обрисі цілого технічного напрямку та галузі промисловості, викликати великі соціальні наслідки і навіть накласти певний відбиток на розвиток цивілізації.
Поява мікроелектронної технології змінили насамперед обрис самої радіоелектронної промисловості. Кропітка та малокваліфікована праця сотень тисяч складальників-монтажників радіосхем була замінена високопродуктивною та висококваліфікованою роботою небагатьох операторів на технологічних лініях по виготовленню ІМС. Різко скоротилась собівартість складних радіоелектронних пристроїв, їх вага та розміри при одночасному зростанні їх надійності. Все це зробило можливим масове виготовлення та застосування радіоелектронних пристроїв, які раніше випускались лише як коштовні унікальні вироби, або взагалі були недоступні для виготовлення та придбання.
Прикладом можуть бути персональні ЕОМ, які тепер стали предметом масового виробництва. Заснована на ІМС "інтелектуальна" автоматика широко проникає в промисловість (наприклад, станки з цифровим керуванням, обробляючі центри), підвищуючи продуктивність та змінюючи умови роботи на підприємствах різноманітного профілю. Електронна автоматика входить і в наші оселі у вигляді побутової електро- та радіоапаратури нового покоління (наприклад, пральних машин з програмним керуванням), полегшуючи домашню працю і зберігаючи сили та час для іншої більш інтелектуальної діяльності. Широке застосування електронно-лічильних машин в науці, виробництві і керуванні незмірно розширює інтелектуальні можливості людини і відкриває нові шляхи для комунікації та обміну інформацією. Передбачити соціальні та культурні наслідки цього процесу дуже важко. Винахід ІМС у багатьох відношеннях нагадує винахід книгодрукування п’ятсот років тому. І те і друге виникло як результат об'єднання окремих розрізнених елементів в певні цілісні блоки. Підготовка до виробництва ІМС подібно до підготовки книги до видання i вимагає великих інтелектуальних зусиль на складання і проектування та матеріальних витрат на технологічну підготовку. Зате вже на стадії виробництва можливе тиражування ідентичних виробів в необмежених кількостях. Більш того, як видання книги, так і виробництво ІМС себе виправдовують та окупаються лише при масовому виробництві та великих серіях.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
